一种微流控芯片及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种微流控芯片及其制备方法与应用，包括微通道层(1)和其下方的弹性膜层(2)，所述的微通道层(1)内设有形变通道(101)和气压通道(104和105)。通过配置两模块的位置和尺寸实现不同形变模式；所述气压通道模块通过外加气压使该通道腔体结构发生弹性形变，从而对形变通道模块底部的弹性膜施加作用力。与现有技术相比，本发明专利技术基于微流控技术，通过优化结构设计，整合形变通道模块和气压通道模块，实现多种机械形变方式；芯片制作简单，无需芯片多层对准操作。

A microfluidic chip and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种微流控芯片及其制备方法与应用
本专利技术涉及属于微流控芯片
，尤其是涉及一种可提供机械形变的微流控芯片。
技术介绍
力学刺激广泛存在于生物体的骨、皮肤和心血管组织中，对细胞形态及细胞的增殖、分化、迁移等行为具有重要影响。故研究细胞在材料表面机械形变作用下的行为，对研究与开发相应的组织工程支架与生物材料具有重要的指导意义。在正常生理条件下，细胞往往受到复杂形变因素的影响，如血管内皮细胞和心肌细胞等，在生长过程中受到拉伸、剪切等的影响。而且，施力的方向往往不是单轴的，而可能是多个轴向的。常规细胞培养方法无法模拟细胞真实的力学环境，因此需要开发新型的、可提供多种机械形变方式的生物学研究装置。近年来，微流控技术在生物医学领域得到了快速发展。微流控芯片结合了微加工技术和表面化学，能够构建精细的空间结构，为细胞提供接近于生理或病理条件的微环境，并且可以在单细胞水平上对细胞进行原位动态观察。Hub等(Huh,D.,Matthews,B.D.,Mammoto,A.,Montoyazavala,M.,Hong,Y.H.,&Ingber,D.E.(2010).Reconstitutingorgan-levellungfunctionsonachip.Science,328(5986),1662-1668.)采用的微流控芯片可以为黏附于膜上的细胞提供流体剪切力和拉伸力。其制作方法是将弹性膜组装在两块刻有微通道的硅橡胶片层材料中间。该芯片设计精巧，但制作工艺复杂，需要对上、下两片层进行严格的对准操作，而且三层材料需要两两接合、细胞拉伸实验时连接管路繁杂，容易导致漏液、漏气等问题。利用类似方法工作还包括中国专利申请动脉血管模拟微流控装置(申请号201110404504.6)、可机械拉伸的微流控芯片细胞培养装置(申请号201310043685.3)、以及最新研究工作(Sorba,F.,Poulin,A.,Ischer,R.,Shea,H.,&Martin-Olmos,C.(2019).Integratedelastomer-baseddeviceformeasuringthemechanicsofadherentcellmonolayers.LabonaChip.)。这些工作均是将弹性膜整合在三层结构中，需要芯片多层对准操作，制备和实验操作复杂，不易推广。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种操作简单、无需对准、可重复性好的微流控芯片及其制备方法与应用。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种微流控芯片，其特征在于，包括微通道层(1)和其下方的弹性膜层(2)，所述的微通道层(1)内设有形变通道(101)和气压通道。所述的形变通道(101)和气压通道之间通过薄壁隔开。所述的形变通道(101)、薄壁和气压通道的宽度比为1：(0.05-0.5)：(0.1-1)。所述的薄壁和弹性膜层(2)均由弹性高分子材料制成，包括硅橡胶、天然橡胶等。所述的形变通道(101)两端分别设有与其连通的流体入口(102)和流体出口(103)，所述的气压通道两端设有与其连通的气路开口。所述的气压通道通过气路开口连接外加气压泵系统，通过外加气压使气压通道腔体结构发生弹性形变，从而对形变通道(101)及底部的弹性膜层(2)施加作用力。通过配置形变通道(101)和气压通道的位置和尺寸实现不同形变模式，形变模式包括单轴拉伸或双轴拉伸。如，将形变通道(101)位于中间，两侧设置相互连通的气压通道，其中形变通道长10mm，宽1mm，两侧气压通道每侧长5mm，宽0.5mm，平行通道之间的间隔0.1mm。一种微流控芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：通过刻蚀技术制备表面带图案的模板，然后将预聚物浇铸在模板上，固化、脱模、打孔后获得微通道层(1)；步骤2：在硅片表面高速旋涂预聚物，固化后获得弹性膜层(2)；步骤3：将微通道层(1)和弹性膜层(2)两部分接合，结合方式为等离子处理和热压合技术相结合，具体为：将微通道层(1)和弹性膜层(2)置于一同置于等离子体处理仪中，设置功率为100W，时间为90s，处理完毕后立即取出，将微通道层(1)含有微通道形状的一面与弹性膜层(2)对接、压紧，60～80℃热烘10～20min即可。步骤1和步骤2中的预聚物为PDMS预聚物和交联剂以10:1的质量比均匀混合，真空脱除气泡获得。固化条件为60～80℃加热固化6～12h。一种微流控芯片的应用，其特征在于，将所述微流控芯片用于力学刺激对细胞行为影响的相关研究；以及模拟人体器官和组织在力学刺激下的生理病理环境的相关研究。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：(1)基于微流控技术，通过优化结构设计，整合形变通道模块和气压通道模块的微流控芯片，实现多种机械形变方式；(2)微流控芯片的制作方法简单，无需复杂的芯片多层对准操作。(3)现有技术中用三层材料是为了使膜的上下表面都需施加流体剪切力和拉伸力，而本申请只要在膜一侧的材料中设置可形变的微通道即可，使在膜上贴附的细胞等被拉伸物可以达到与三层相同的拉伸效果，即如图4所示，在负压增加的情况下，中间形变通道的形变量趋势与三层一致。(4)现有三层细胞拉伸装置，在实验时连接管路繁杂，容易导致漏液、漏气等问题，本专利技术减少了需要连接管路的进出口，只保留一个流体进口和一个流体出口，以及两个气体进出口，简化连接管路，减少泄露。附图说明图1为本专利技术所述微流控芯片的结构示意图，其中：1为刻有微通道的厚层，101为形变通道，102为流体入口，103为流体出口，104为气压通道a、105为气压通道b，106气路开口a、107为气路开口b，108薄壁a、109为薄壁b；2为弹性膜。图2为本专利技术所述微流控芯片的控制系统示意图。图3为本专利技术所述微流控芯片复原状态和拉伸状态的示意图。图4为使用本专利技术所述微流控芯片进行单轴拉伸的实验测试图：(a)形变通道模块底部弹性膜未拉伸对照组；(b)形变通道模块底部弹性膜单轴拉伸幅度10％的状态。图5为使用本专利技术所述微流控芯片进行单轴周期性拉伸后，粘附在形变通道模块底部弹性膜上细胞微丝骨架染色结果：(a)细胞未拉伸对照组；(b)细胞拉伸幅度为10％，频率为1Hz，拉伸时长为2.5h。图6为使用本专利技术所述微流控芯片进行双轴拉伸的实验测试图：(a)形变通道模块底部弹性膜未拉伸对照组；(b)形变通道模块底部弹性膜双轴拉伸幅度10％的状态。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可由商业途径获得。实施例1、单轴拉伸微流控芯片的制备方法(1)掩膜板的制作根据具体实验要求，利用计算机辅助设计软件(CAD本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微流控芯片，其特征在于，包括微通道层(1)和其下方的弹性膜层(2)，所述的微通道层(1)内设有形变通道(101)和气压通道。/n

【技术特征摘要】
1.一种微流控芯片，其特征在于，包括微通道层(1)和其下方的弹性膜层(2)，所述的微通道层(1)内设有形变通道(101)和气压通道。


2.根据权利要求1所述的一种微流控芯片，其特征在于，所述的形变通道(101)和气压通道之间通过薄壁隔开。


3.根据权利要求2所述的一种微流控芯片，其特征在于，所述的形变通道(101)、薄壁和气压通道的宽度比为1：(0.05-0.5)：(0.1-1)。


4.根据权利要求2所述的一种微流控芯片，其特征在于，所述的薄壁和弹性膜层(2)均由弹性高分子材料制成。


5.根据权利要求1所述的一种微流控芯片，其特征在于，所述的形变通道(101)两端分别设有与其连通的流体入口(102)和流体出口(103)，所述的气压通道两端设有与其连通的气路开口。


6.根据权利要求1所述的一种微流控芯片，其特征在于，所述的气压通道通...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁建东，贺迎宁，毛天骄，顾也欣，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31